해상기중기

1. 개요

해상 기중기는 해상에서 대형 구조물이나 물체를 들어 올리고 운반하는 데 사용되는 특수 선박이다. 선체 형태에 따라 단동선, 쌍동선, 반잠수식 등으로 분류되며, 크레인 종류에 따라 회전식 데릭, 시어레그, 해머헤드 크레인, 갠트리 크레인 등으로 나뉜다. 해상 기중기는 하중, 도달 거리, 인양 높이 등을 주요 성능 지표로 하며, 14세기 초 중세 유럽에서 처음 등장했다. 대한민국에서는 현대중공업, 삼성중공업 등에서 해상 기중기 건조 기술력을 보유하고 있으며, 2010년 천안함 인양에도 활용되었다. 세계적으로는 티알프, 사이펨 7000, 슬레이프니르 등이 대형 해상 기중기로 유명하다.

2. 종류

해상 기중기는 선체 형태와 크레인 종류에 따라 다양하게 분류된다.

* 선체 형태: 단동선, 쌍동선, 반잠수식 등으로 나뉜다.
* 크레인 종류: 회전식 데릭, 시어레그, 갠트리 크레인 등으로 나뉜다.

이 외에도 잭업 바지선과 같이 특수한 형태의 해상 기중기도 있다. 각 종류는 특정 상황에서 장점을 가지며, 기능이 겹치더라도 함께 사용되기도 한다.

2.1. 선체 형태에 따른 분류

해상기중기는 선체 형태에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

대형 리프트 해머헤드 크레인 바지선은 고정식 해머헤드 크레인을 가지고 있으며, 회전하거나 러핑(Luffing, 크레인의 붐 각도를 조절하는 동작)하지 않고 일정한 도달 거리를 유지한다. 시어레그(Sheerleg, 고정된 다리와 움직이는 붐으로 구성된 크레인) 바지선과 유사한 방식으로 작동하며, 교각을 가로질러 조립식 섹션을 제자리에 내려놓을 수 있도록 쌍동선 바지선에 장착될 수 있다.

2.1.1. 단동선 (Monohull)

대형 리프팅 크레인 장비를 갖춘 기존의 자항식 항해용 단동선(Monohull)이다.

2.1.2. 쌍동선 (Catamaran)

쌍동선 형태의 대형 리프트 바지선은 상단에 갠트리 크레인으로 연결된 두 척의 바지선으로 구성되며, 항만이나 강과 같은 보호 수역에서 사용되어 왔다. 바지선에 발생하는 힐링 모멘트를 줄이기 위해 갠트리는 끝단에서 핀 조인트로 선체에 부착되어 독립적인 롤링이 가능하도록 설계되기도 한다. 갠트리 트러스는 일반적으로 바지선의 양쪽 끝에 설치되어 긴 화물을 들어 올릴 수 있다.

2.1.3. 반잠수식 (Semi-submersible)

반잠수식 기중기 플랫폼은 수심이 너무 깊거나 해저 지반의 구성이 잭업 바지선에 적합하지 않고, 해상 조건이 기존 선체의 효율적인 사용에 적합하지 않은 경우에 장점을 가진다. 반잠수식 선체는 수선 면적이 감소하여 파도와 너울에 대한 반응이 적고 느리며, 복원성과 복원력은 하중에 맞게 밸러스트를 조절하여 조정할 수 있다. 또한 기둥 사이의 간격은 파도가 선박에 거의 영향을 미치지 않고 통과할 수 있게 한다. 단점으로는 본질적인 복원성이 낮고, 비용과 복잡성이 훨씬 크다는 점이 있다.

수선 면적이 작으면 수직 운동(Heave) 반응이 낮아지며, 이는 수직 계류 라인을 사용하여 해저의 말뚝이나 클럼프 웨이트를 닻으로 사용하여 현재의 해상 상태에서 수직 운동을 방지함으로써 텐션 레그 플랫폼(Tension leg platform)으로 기능하는 데 활용할 수 있다. 이러한 구성에서 수직 운동에 민감한 작업을 정밀하고 제어된 상태로 수행할 수 있다.

2.2. 크레인 종류에 따른 분류

해상 기중기는 여러 가지 주요 구성으로 이루어져 있으며, 각 구성은 특정 상황에서 다른 구성보다 적어도 하나의 주요 이점을 가지고 있어 기능 범위가 겹치더라도 모든 배열이 공존한다.

2.2.1. 선회식 데릭 (Revolving derrick)

회전식 데릭 바지는 바지선에 장착된 선회식 크레인으로, 하중을 운반할 때 선체와 독립적으로 회전할 수 있어 매우 다재다능하다. 하지만 비용이 많이 들고 복잡하며, 안전하게 작동할 수 있는 해상 상태에 몇 가지 제한 사항이 있다. 일반적으로 고정된 위치에서 작동하며, 데릭의 선회 및 러핑(luffing) 기능을 사용하여 하중을 들어 올리고 설정하기 위해 크레인 팁의 위치를 지정한다.

이러한 배열은 도달 범위, 하중 용량, 비용에 대한 구조적 및 안정성 요구 사항 간의 절충안이다. 선회식 데릭의 장점 중 하나는 선박 자체의 갑판에서 운반되는 하중에 도달할 수 있다는 것이다. 육상 크레인과 비교했을 때, 파도 속에서 발생하는 추가적인 동적 하중과 움직임은 작동 및 안전을 복잡하게 만든다. 붐 팁의 위치와 움직임은 선박의 운동 중심으로부터의 거리에 의해 증폭되며, 팁의 위치가 선박에 상대적으로 이동함에 따라 들어 올리는 동안 변동하는 6자유도 모두의 영향을 받는다.

2.2.2. 시어레그 (Sheerleg)

시어레그 바지는 한쪽 끝에 시어레그가 장착된 바지선으로, 하중을 들어 올리고 시어레그를 러프하여 도달 범위를 조정할 수 있지만, 선체 방향과 관계없이 하중을 독립적으로 회전시킬 수는 없다. 일반적인 배열은 선미에 힌지된 A자형 프레임이 있으며, 선수까지의 스테이로 지지된다. 하중이 들어 올려지면 바지선은 온보드 스러스터 또는 예인선을 사용하여 하중을 내려야 할 위치로 이동하고 하중을 낮춘다. 시어레그 바지선은 항상 최대 정적 안정성 선상에서 하중을 유지하며, 하중에 대한 보상으로 종방향 복원 모멘트를 증가시키기 위해 선수에 밸러스트를 사용할 수 있다. 시어레그 배열은 선회 크레인보다 제조 및 유지 관리가 더 경제적이지만, 전체 선박을 들어 올리고 내리기 위해 정확한 위치로 이동해야 하므로 덜 편리할 수 있다. 하중 하에서 러핑은 일반적으로 느리고, 필요한 경우가 거의 없으므로, 들어 올리기 전에 시어레그를 러프하여 들어 올리고 하중을 설정하기에 적합한 위치로 만드는 것이 일반적이다.

2.2.3. 갠트리 크레인 (Gantry crane)

쌍동선 형태의 대형 리프트 바지선은 상단에 갠트리 크레인으로 연결된 두 척의 바지선으로 구성되며, 항만이나 강과 같은 보호 수역에서 사용되어 왔다. 바지선에 발생하는 힐링 모멘트를 줄이기 위해 갠트리는 끝단에서 핀 조인트로 선체에 부착되어 독립적인 롤링이 가능하도록 설계되기도 한다. 갠트리 트러스는 일반적으로 바지선의 양쪽 끝에 설치되어 긴 화물을 들어 올릴 수 있다.

2.3. 기타

(이전 단계에서 출력된 내용이 없으므로, 수정할 내용도 없습니다.)

2.3.1. 잭업 바지선 (Jack-up barge)

잭업 건설 바지선은 4개에서 8개의 다리를 갖춘 바지선으로, 각 다리에는 다리를 잡고 선체에 대해 위아래로 움직일 수 있는 재킹 시스템이 장착되어 있다. 제자리에 고정하고 다리를 따라 다시 움직여 추가적인 재킹 작업을 위해 다시 잡을 수 있다. 선체는 작업 위치에서 파도의 꼭대기 위로 들어 올려지고, 바지선의 질량과 추가 하중은 다리의 바닥에 의해 지지되며, 이는 가급적 균등하게 하중을 분산해야 한다. 잭업 작업 동안 바지선은 팽팽한 닻의 계류를 통해 제자리에 고정된다. 작업 높이에 도달하면 다리를 한 번에 하나씩 풀고 말뚝 박기 해머로 더 깊게 박아 넣어 안정성을 높일 수 있다.

제거는 기본적으로 반대 절차와 유사하며, 선체가 부유한 후 다리가 한 번에 하나씩 바닥에서 뽑혀 나오며, 닻의 계류는 파도에 의해 가해지는 측력을 제한한다. 다리의 바닥에서 워터 제팅, 지속적인 장력 및/또는 저압 물 주입을 사용하여 단단히 박힌 다리를 풀 수 있다. 이러한 장비는 해상 조건에 대한 움직임 응답이 없지만 이동하기 위해서는 때때로 잔잔한 조건이 필요하다. 성능은 해저 특성에 크게 의존한다.

3. 주요 특징

해상 기중기의 성능은 하중, 도달 거리, 인양 높이라는 세 가지 주요 척도로 결정된다. 이 외에도 선체 흘수, 후크를 내릴 수 있는 깊이, 운송 및 인양을 위한 해상 상태 제한 등이 중요한 요소이다.

해상 기중기는 선박의 6자유도, 해상 상태 및 바람에 대한 반응, 크레인 작동으로 인한 상부 블록의 움직임 등 복잡한 요소를 고려하여 안전하게 작업해야 한다. 상부 블록은 이러한 상호 작용으로 인해 공간에서 복잡한 3차원 경로를 그릴 수 있으며, 하중 경로는 더욱 복잡하다. 공진 현상이 발생할 수 있으며, 이를 최소화하기 위해 빠른 통과가 필요할 수 있고, 때로는 동요 보상 시스템이 사용될 수 있다. 가속도, jerk 하중 및 하중과 주변 간의 충격을 최소화하고 허용 가능한 수준으로 제한해야 한다.

들어 올리고 내려놓는 과정은 충격 하중에 가장 민감한 단계이다. 하중을 들어 올릴 때 지지대와 후크 사이에 상대적인 움직임이 있으면 충격이 발생할 수 있으며, 하중을 내려놓을 때도 부드럽게 수행하고 가능한 한 빨리 정착시켜 재차 들어 올림을 방지해야 한다.

4. 역사

중세 유럽에서는 14세기 초부터 항구 전체에서 유연하게 배치할 수 있는 크레인 선박이 도입되었다.

범선 시대에는 전단선이 무거운 물건을 들어올리는 작업에 광범위하게 사용되었다. 당시 선박의 가장 무거운 단일 부품은 주 마스트였으며, 전단선은 이를 제거하고 교체하는 데 필수적이었지만 다른 목적으로도 사용되었다.

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1920년, 1898년에 건조된 전함 USS 키어사지는 250톤 용량의 크레인이 설치되면서 크레인 선박으로 개조되었다. 이후 크레인 선박 1호로 이름이 변경되었다. 이 선박은 건설 중인 다른 전함에 대포 및 기타 무거운 물품을 배치하는 데 사용되었다. 또 다른 주목할 만한 업적은 1939년 잠수함 USS 스퀄러스를 인양한 것이다.

1949년, J. 레이 맥더모트는 150톤을 들어올릴 수 있는 회전식 크레인을 장착한 바지선인 데릭 바지 4호를 건조했다. 이 유형의 선박의 등장은 해상 건설 산업의 방향을 바꾸었다. 석유 플랫폼을 부품별로 건설하는 대신 자켓과 데크를 모듈 형태로 육상에서 건설할 수 있게 되었다. 멕시코 만의 얕은 해역에서 사용하기에는 이러한 바지선으로 충분했다.

1963년, 히레마는 노르웨이 유조선 선나스를 300톤 용량의 크레인 선박으로 개조했는데, 이는 해양 산업에서 선박 형태를 갖춘 최초의 크레인 선박이었다. 이 선박은 글로벌 어드벤처러로 개명되었다. 이러한 유형의 크레인 선박은 북해의 혹독한 환경에 더 잘 적응했다.

1978년, 히레마(Heerema)는 각각 2,000 톤 및 3,000톤 크레인 1대씩을 갖춘 2척의 반잠수식 해상 크레인 선박인 DCV 발더와 헤르모드를 건조했다. 이후 두 선박 모두 더 높은 용량으로 업그레이드되었다. 이러한 유형의 크레인 선박은 해상 풍랑에 훨씬 덜 민감하여 겨울철에도 북해에서 작업을 수행할 수 있었다. 또한 높은 순간 안정성은 단동선보다 더 무거운 하중을 들어 올릴 수 있게 했다. 크레인의 더 큰 용량은 플랫폼 설치 시간을 한 시즌 전체에서 몇 주 이내로 단축시켰다. 이러한 성공에 영감을 받아 유사한 선박들이 건조되었다. 1985년에는 맥더모트(McDermott)를 위해 각각 6,000톤 용량의 크레인 2개를 갖춘 DB-102가 진수되었다. 1986년에는 미코페리(Micoperi)가 각각 7,000톤 용량의 크레인 2개를 갖춘 M7000을 주문했다.

1980년대 중반의 유가 과잉 공급으로 인해 해양 산업의 경제 호황은 종료되었고, 그 결과 협업이 이루어졌다. 1988년에는 히레마와 맥더모트 간의 합작 투자가 결성되어 히레맥(HeereMac)이 설립되었다. 1990년 미코페리는 파산을 신청해야 했다. 사이펨(Saipem)은 1970년대 초반에는 대형 중량물 운송업체였지만 1980년대 말에는 이 분야에서 작은 업체에 불과했는데, 1995년 미코페리로부터 M7000을 인수하여 나중에 사이펨 7000으로 이름을 변경했다. 1997년 히레마는 합작 투자가 중단된 후 맥더모트로부터 DB-102를 인수했다. 선박은 티알프로 이름이 변경되었고, 이후 2000년에 2배 7,100톤의 인양 능력으로 업그레이드되었다.

2000년대 이후, 초대형 해상 기중기 개발 경쟁이 심화되면서 인양 능력이 지속적으로 향상되었다.

5. 대한민국

대한민국은 세계적인 조선 기술력을 바탕으로 해상 기중기 분야에서 선도적인 역할을 수행하고 있다.

5.1. 주요 사건

2010년 4월 15일 해군 천안함의 함미와 함수를 인양했다.

6. 최대 크레인선 목록 (참고)